利用電腦設計控制系統的技術,英文縮寫 CACSD。它是在控制系統電腦仿真的基礎上發展起來的。早期的 CACSD軟體基本上是仿真軟體。控制工程師借助於電腦來設計控制系統,可以提高設計品質,保證設計的精度和可靠性,並能提高設計效率,縮短設計週期,減少設計定型的試驗費用。

  發展概況 CACSD的發展大致可分為三個階段。第一階段,從60年代到70年代初,採用由一個或幾個控制系統統計算程序組成的 CACSD軟件包。這種軟件包主要是利用線性二次型最優控制理論來設計最優控制系統的設計程序,這些程序歸結為求解黎卡提矩陣代數方程,以及利用經典控制理論的頻域法和根軌跡法來設計單變量系統的程序。在這一階段,仿真語言的發展對 CACSD起瞭推動作用。第二階段,從70年代初到80年代,英國羅森佈羅克學派創立的多變量頻域法,對 CACSD的發展起瞭巨大的推動作用,出現瞭功能齊全的用於多變量系統設計的CACSD軟件包。在這一階段,微型計算機,高分辨率圖形終端,精密繪圖儀,光電掃描儀,鼠標等的出現,加強瞭人機聯系,推動瞭CACSD的發展。80年代後CACSD的研究重點從編制具有各種復雜計算功能的軟件包轉向建立控制系統分析、綜合與設計的良好支持環境,包括線性系統和非線性系統設計工具,辨識與仿真工具,最優化程序和系統綜合工具,文件組織,數據庫管理,文檔系統,圖形輸入輸出和人機接口等。1984年J.H.泰勒和D.K.弗雷德裡克提出計算機輔助控制工程(CACE)的新概念,進一步擴大瞭CACSD的任務,包括建立被控對象模型,確定模型特征,調整被控對象,設計問題形式化,檢驗問題提法和限制條件,形成折衷的設計方案,執行設計程序,驗證設計,提供設計文檔,實現最終設計等。第三階段,從80年代中期開始,提出 CACSD專傢系統。1985年出現具有專傢系統支持的 LQG(線性二次高斯控制系統)軟件包。現在正在研究多變量自適應控制的實時專傢系統,多變量系統的系統化設計的專傢系統,以及指導控制器物理實現(現場整定)的專傢系統。中國從1984年開始研制CACSD軟件包,並於 1986年通過國傢鑒定。它屬於第二代CACSD軟件包,采用模塊化層次結構,由18個功能子包組成,包括系統辨識,時間序列建模,多項式矩陣分析與綜合,LQG控制,多變量頻域法和狀態空間法設計,系統仿真和模型處理等。

  硬件 CACSD系統的硬件由小型機或超級微機配置相應的輸入輸出設備組成,也可采用 CAD工作站。配置的外部設備有磁盤驅動器、鍵盤、圖像終端、光電掃描儀、精密繪圖儀、高速打印機、屏幕復印機和鼠標等。早期CACSD系統用光筆來修改屏幕設計,用數字化儀作為圖形輸入設備。

  軟件 

CACSD 系統的軟件包括系統軟件和應用軟件,應用軟件主要是CACSD軟件包,它常用FORTRAN,C,Pascal等語言編寫。現在推出的CACSD軟件包有三種類型:①計算機輔助分析和計算軟件包。它僅包含設計過程中用到的最基本的計算程序。②半自動 CACSD軟件包。它不但包含設計過程中用到的最基本的計算程序,還具備人機對話功能,可根據設計者的指令修改系統的結構和參數。這種程序包一般都有6個程序模塊(圖1)。③全自動 CACSD軟件包。它在半自動軟件包的基礎上又增加自動搜索最優化程序模塊,可自動改變控制系統參數,實現設計自動化。CACSD軟件包一般都具有人機交互功能,有的軟件包還可以使用宏命令或CACSD專用語言。

  CACSD專傢系統 一個完整的CACSD專傢系統應具備下列功能:建立被控對象的數學模型並將其轉換成要求的形式;確定設計指標和限制條件;選擇設計方法;進行詳細設計;分析設計成果;提交設計文檔;實現所設計的控制器。

  CACSD專傢系統的結構(圖2)有三種類型:①前端式。用戶不直接與 CACSD軟件包發生聯系,隻要把數學模型、性能指標等輸入給專傢系統,由專傢系統選擇合適的指令啟動並運行 CACSD軟件包,並接受運算結果,給用戶提供設計報告。②咨詢式。用戶將設計要求輸入給專傢系統,由專傢系統告訴用戶模型結構,設計步驟,以及應選用的軟件包和指令,然後由用戶操作CACSD軟件包,最後由專傢系統提供設計報告。③嵌入式。專傢系統嵌入到CACSD軟件包中,成為該軟件包的一部分。此時,為瞭加快處理速度,專傢系統也常用FORTRAN,C,Pascal等語言編程。

  

參考書目

 羅森佈洛克著,周文忠譯:《計算機輔助控制系統設計》,科學出版社,北京,1983。(H. H.Rosenbrock,Computer-Aided Control System Design, Academic Press,London,1974.)

 G.K.H.Pang, A.G.J.MacFarlane, An Expert SystemsApproach to Computer-Aided Design of Multivariable Systems, Springer-Verlag, 1987.